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仿生透明导电电极方面的研究进展在Nature Communication正式刊出

已有 6164 次阅读 2014-12-2 23:57 |个人分类:研究进展|系统分类:论文交流| 仿生, 柔性, 透明导电电极

11月28日,Nature Communication 在最新一期以Bio-inspired networks for optoelectronics applicaions (doi:10.1038/ncomms6674)为题,正式刊发我们最近在仿生透明导电电极方面的重要研究进展。一位学者以《道法自然,请光入网》为题,为这篇文章做了很好的注解,现与大家共享,并衷心感谢!


《师法自然,请光入网》


现代材料制备科学近百年来诞生了众多标度人类智慧的原理、方法与技术,为改善人类生活奠定了材料基础。但人类从自然进化形态中学习领悟的进程并无多少值得骄傲之处,所取得的成就寥寥可数。我们既羞于大胆承认应该向自然学习,又犹抱琵琶半遮面,创立诸如仿生学和人工植物生物等研究领域,试图去复制自然结构与形态,去理解若干自然过程为何具有神奇的魅力与效果。有些令人遗憾的是,我们致力于复制和理解的努力很不顺利,颇使人有人与天地试比高,不胜艰辛枉春华的感叹。所以,沿着这条路线,取得任何一个哪怕是很小的进步都将是令人称道和值得赞许的。


值得我们自豪的是,华南师范大学华南先进光电子研究院先进材料研究所之清洁能源材料课题组最近在利用仿生学构造新材料这条充满荆棘之路上留下了坚实的脚印。


现代光电功能元器件容纳了成千上万种不同材料,透明导电电极不过是其中一种而已,所占份额微乎其微。不过,她在所有光过程元器件中不可或缺,如太阳能电池、触摸显示等等,不一而足。一种好的透明电极材料堪比自然之青山绿水、俗人之靓丽外衣,根植于所有光过程元器件的发展历程。因此,我们对其追求没有最好,只有更好。即便现在商业化使用的透明电极材料(如ITO)表现已属优秀,却依然有瑕疵与命门。所谓透明导电电极,简单而言,是一种既要导电又能透光的材料。我们希望这种透明电极材料既能够让所有波长的光线无损耗穿越,又能够导电优异,并能高效分离传输光生电子和空穴,实现光电功能。众所周知,金属如金、银、铜的导电性最好,但常规金属是完全不透光的,纵使光子有见缝插针的本领,也无奈何金属防线固若金汤。绝缘体倒或多或少能够透光,却不容电子随意游荡。现代材料科学已经习惯于这种左右不讨好、前后不吃香的窘迫处境,只好取中庸之道,使用一些导电性不良、透光线不好的材料来做透明导电电极,以次充好,为高尚者所诟病。


有鉴于此,寻找好的透明电极材料依然是春风渡越、山高水长的期待。


先进材料研究所高进伟博士领导清洁能源课题组近几年一直在努力做高尚者。课题组与任志锋、Kristof Kempa等光电功能材料领域知名学者密切合作、孜孜以求,他们走过的艰辛之路外人难以窥探一二。开始阶段似邯郸学步、鹦鹉学舌,到后来略有所成而丹心进取。天之眷顾在于勤勉,人之功德在于灵感,他们看到了自然之物博取生命的通道,从茂盛之树叶尽取阳光精华的过程中获得启示。他们意识到,树叶之叶脉和叶柄传递营养,扩散于叶片之中被阳光滋润而茁壮成长,应该是可以师法的有效结构。这里叶脉与叶柄相当于透明电极之导电通道。因此,在光电功能材料表面用金属材料构建类似这种叶脉叶柄的网状结构,将既能够最大容量容许阳光穿网而过,又能够如树叶一般通过叶脉叶柄充分吸收光电功能材料在阳光下照射而产生的光生电子与空穴,是乃师法自然、天之所成。所以我们说这是师法自然,请光入网的佳作。


高进伟博士他们似乎正是劲透于这一思路,成功制备了一种金属网格透明电极,实现了透光性高于~90%而表面电阻低若~2.5 Ohm/sq的水平,令人激赏。基于此类电极的太阳能电池与柔性触摸显示等原型器件已经展示良好的性能,如以此透明电极作为前电极的薄膜太阳能电池效率比常规电池提高了13%,光电转化效率到11%


更有甚者,这种网络结构还天然赋予这种电极以惊人的抗拉伸和抗弯曲特性。诚然,这些特性背后深刻的物理意义仍值得深入探索,但构建这种网络电极的第一步已经为仿生学之类的研究作出了良好注解。


我们当然也可以用世俗的眼光去欣赏他们的脚步。他们这一工作刚刚在Nature子刊NatureCommunications上以Bio-inspirednetworks for optoelectronic applications为题发表出来(doi:10.1038/ncomms6674)。事实上,过去一年,高进伟博士领导的课题组已经连续在Advanced MaterialsSmall等刊物上发表成果,并申请国家发明专利10项(授权1项),受到三星、苹果、LG等企业的广泛关注。


挖井深深,饮水未央。我们也不应忘记这些工作的取得得力于广东省领军人才项目广东省科技厅项目绿色光电子技术交叉学科创新平台广东省量子调控工程与材料重点实验室2012年和2013年我校大学生创新创业训练计划项目的资助,谨此致谢!



(意境图:师法自然,请光入网;左下角依次为部分蛛丝网和叶脉网。学生黄苑林,韩兵供图)



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1 刘金平

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